Το πληθωριστικό μοντέλο του σύμπαντος

Αν ρωτήσετε από πού προήλθαν όλα αυτά που βλέπουμε γύρω μας και σας απαντήσουν “από το Big Bang”, μην τους πιστέψετε. Καμιά ουσία δεν γεννήθηκε την ώρα της Μεγάλης Έκρηξης. Κι αν δεν συνέβαινε μια τρομερή διαστολή (ο πληθωρισμός) μετά το Big Bang δεν θα υπήρχε τίποτα γύρω μας, ούτε εσείς για να υποβάλλετε τούτη την ερώτηση.

Το σύμπαν γεννήθηκε από μια ανωμαλία, ένα σημείο με άπειρη πυκνότητα, πριν από 13.7 δισεκατομμύρια χρόνια περίπου. Όμως η κβαντομηχανική – η επιστήμη του μικρόκοσμου – δέχεται ότι σε τόσες ακραίες συνθήκες δεν ισχύει κανένας γνωστός νόμος της φύσης. Πρέπει να περιμένουμε να φθάσει το σύμπαν στο μήκος Planck (10^-35m), όταν η πυκνότητα από άπειρη έγινε “μόνο” 10⁹⁴ γραμμάρια ανά κυβικό εκατοστό. Αυτά είναι τα απόλυτα όρια στο μέγεθος και στην πυκνότητα από τα οποία αρχίζει να εφαρμόζεται η κβαντική μηχανική.

Δυστυχώς, αν μια φυσαλίδα στο μέγεθος του μήκους Planck περιέχει όλη την υλο-ενέργεια του σύμπαντος, το ισχυρό βαρυτικό του πεδίο θα το κάνει αμέσως να καταρρεύσει προς μια σημειακή ανωμαλία, ή μια συμπαντική μαύρη τρύπα. Εκτός κι αν παρέμβει κάποιος άλλος μηχανισμός ή ένα κολοσσιαίο γεγονός κι αλλάξει την κατάσταση.

Γι αυτό και στην αρχή η γέννηση του σύμπαντος από το μηδέν φάνηκε αρχικά αδύνατη. Αλλά, έστω ότι το σύμπαν ξέφευγε από τη μοίρα της μαύρης τρύπας, τι θα μπορούσε να ήταν; Ένα σύμπαν γεμάτο ακτινοβολία χωρίς καμιά ύλη και πολύ μικρό με τα σημερινά κριτήρια.  

Η θεωρία του Big Bang φυσικά κι έδωσε το έναυσμα στην επιστήμη να εξηγήσει γιατί το σύμπαν δεν είναι σταθερό, και ότι προέρχεται από ένα απειροελάχιστο σημείο ενώ ακόμα και σήμερα διαστέλλεται. 

Αλλά υπάρχουν κι άλλα αινίγματα που παρατηρούμε σήμερα και η αρχική θεωρία του Big Bang δεν μπορούσε να εξηγήσει. Για παράδειγμα, η εξαιρετική επιπεδότητα, η ομοιογένεια και ισοτροπία του σύμπαντος από πού προέρχονται; πώς δημιουργήθηκαν; τυχαία ή με κάποιο άλλο μηχανισμό που η πρώτη θεωρία του Big Bang αγνοούσε.

Γι αυτό υπήρχε η ανάγκη μιας άλλης θεωρίας, συμπληρωματικής της αρχικής, που θα έλυνε τα παραπάνω προβλήματα. Ένα μοντέλο που θα έδειχνε πώς το σύμπαν ξέφυγε από τη μοίρα της μαύρης τρύπας και την αδυσώπητη βαρυτική έλξη, πώς το σύμπαν έγινε σχεδόν επίπεδο, ομοιογενές και ισότροπο.

Κι αυτή η θεωρία είναι ο Πληθωρισμός.

Ο πληθωρισμός ή μια εκθετική διαστολή μετά την εποχή Planck (τα πρώτα 10 ^-43 του δευτερολέπτου) μπορεί να αποτρέψει το σχηματισμό μιας συμπαντικής μαύρης τρύπας, ενώ η αρχή της απροσδιοριστίας όπως την ανέλυσε ο Edward Tryon επιτρέπει την εμφάνιση ολόκληρου του σύμπαντος από το κενό, ή από το τίποτα όπως χαρακτηριστικά το είπε, σαν μια κβαντική διακύμανση του κενού, πράγμα που επιτρέπεται από την κβαντική θεωρία.

Τα προβλήματα της Μεγάλης Έκρηξης

Οι κοσμολόγοι είδαν με ενθουσιασμό τη σύνδεση σωματιδιακής φυσικής των υψηλών ενεργειών και κοσμολογίας, αφού τους έλυνε το μεγάλο πρόβλημα της γέννησης της μάζας μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, στη δεκαετία του 1970 και στις αρχές της δεκαετίας του 1980. Κι αυτή η θεωρία ήταν η GUT (που αναφέρεται στο χρονικό διάστημα από 10^-43 έως 10^-35 δευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, όταν όλες οι δυνάμεις της φύσης ήταν ενωμένες πλην της βαρύτητας), που τους πρόσφερε ένα δυνητικό μηχανισμό δημιουργίας της συμπαντικής ύλης. Μέχρι τότε έλειπε μια πειστική θεωρία για να λυθούν τα προβλήματα που ανέκυψαν μετά τη θεωρία τη Μεγάλης Έκρηξης.

Σίγουρα, το Μοντέλο της Μεγάλης Έκρηξης ήταν ένας θρίαμβος κι από μια άποψη τα προβλήματα που δημιουργούσε ήταν λιγότερο σημαντικά μπροστά στο απίστευτο γεγονός ότι αποτελούσε μια ερμηνεία της προέλευσης του Σύμπαντος. Αλλά με την πάροδο του χρόνου, τα προβλήματα εξακολουθούσαν να τριβελίζουν το μυαλό των κοσμολόγων και στα τέλη της δεκαετίας του 1970 φάνταζαν πολύ πιο σημαντικά απ’ όσο έμοιαζαν να είναι στα 1965. Και στην ιστορία της επιστήμης, συχνά μια σημαντική εξέλιξη της γνώσης που επιτεύχθηκε από μια γενιά ερευνητών δημιουργεί καινούρια προβλήματα, τα οποία αντιμετωπίζονται και επιλύονται από την επόμενη γενιά.

1. Το πρόβλημα της μάζας

Με ποιόν μηχανισμό γεννήθηκε όλη η μάζα του σύμπαντος; Υπήρχε καθόλου μάζα στην Αρχή; Όλα αυτά τα προβλήματα προσπάθησαν οι κοσμολόγοι να τα λύσουν με τις θεωρίες GUT, αλλά δεν δόθηκαν πειστικές απαντήσεις.

2. Πρόβλημα του ορίζοντα και των γαλαξιών

Εκτός από το πρόβλημα της προέλευσης της ύλης, υπήρχε μια δυσκολία που είναι γνωστή σαν το πρόβλημα του «ορίζοντα» και η οποία οφείλεται στο γεγονός ότι το Σύμπαν φαίνεται να είναι το ίδιο προς όλες τις κατευθύνσεις. Ακόμα και στην περίπτωση της κατανομής των γαλαξιών και των γαλαξιακών σμηνών, το Σύμπαν φαντάζει ομοιόμορφο σε γενικές γραμμές. Αλλά η βασικότερη ένδειξη της συμπαντικής ομοιομορφίας προήλθε από τη μελέτη της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου, η οποία είναι ισότροπη (παραμένει η ίδια προς όλες τις διευθύνσεις) σε αναλογία μεγαλύτερη από 1 στις 10.000.

Πώς όμως «γνωρίζει» η ακτινοβολία που προέρχεται από μια περιοχή του ουρανού, πόσο ισχυρή πρέπει να είναι για να αντιστοιχεί με τόσο μεγάλη ακρίβεια στην ακτινοβολία που προέρχεται από την αντίθετη μεριά του ουρανού — και στην πραγματικότητα απ’ όλες τις μεριές; Οι σημερινές παρατηρήσεις αποτελούν την πρώτη επαφή με την ακτινοβολία που προέρχεται απ’ αυτές τις «αντίθετες» μεριές του Σύμπαντος.

Και σύμφωνα με το Καθιερωμένο Μοντέλο, αυτές οι περιοχές, δεν μπορούσαν ποτέ να έρθουν σε επαφή μεταξύ τους, αφού η απόσταση μεταξύ τους ήταν πάντοτε μεγαλύτερη απ’ αυτή που μπορεί να διανύσει το φως, στο χρονικό διάστημα που μεσολάβησε από τη δημιουργία του Σύμπαντος μέχρι σήμερα.

Αν η ακτινοβολία της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου των 2.7 Κέλβιν, εκπέμφθηκε 380.000 χρόνια μετά τη στιγμή της δημιουργίας, κι όπως προκύπτει από το Καθιερωμένο Μοντέλο, τότε μόνο οι περιοχές που απείχαν μεταξύ τους λιγότερο από δυο μοίρες (όπως τις παρατηρούμε από τη Γη) είναι δυνατό να έχουν έρθει σε επαφή μεταξύ τους, στη διάρκεια όλου αυτού του χρόνου. Έτσι, η ακτινοβολία του υποβάθρου θα έπρεπε να είναι ανομοιογενής και να έχει κοκκώδη υφή, κλίμακας δυο μοιρών.

Φαίνεται σαν το Σύμπαν να γεννήθηκε τη στιγμή της πύρινης σφαίρας έχοντας μια απόλυτα ομαλή κατάσταση, διαθέτοντας την ίδια ακριβώς ενεργειακή πυκνότητα (δηλαδή την ίδια θερμοκρασία) ακόμα και σε περιοχές που απέχουν τόσο μεταξύ τους, ώστε ένα σήμα που κινείται με την ταχύτητα του φωτός να μην μπορεί ποτέ να «ενώσει».

Τι λοιπόν προκάλεσε αυτή την ομοιομορφία θερμοκρασίας στη Μεγάλη Έκρηξη;

Το πρόβλημα του ορίζοντα οδηγεί άμεσα στο επόμενο πρόβλημα: την ύπαρξη των γαλαξιών.

Αν το Σύμπαν δημιουργήθηκε έχοντας μια τόσο ομαλή κατάσταση, τότε πώς θα μπορούσαν να σχηματιστούν δομές που να έχουν το μέγεθος γαλαξιών; Σ’ ένα απόλυτα ομαλό Σύμπαν το οποίο διαστέλλεται ομοιόμορφα, η απόσταση του κάθε σωματιδίου ύλης από όλα τα υπόλοιπα θα μεγάλωνε διαρκώς κι έτσι δεν θα υπήρχαν «σπόροι» οι οποίοι κάτω από την επίδραση της βαρυτικής έλξης θα σχημάτιζαν μεγάλες συγκεντρώσεις ύλης. Δεν είναι απαραίτητοι πολύ μεγάλοι σπόροι, παρά μόνο «ανομοιομορφίες», που θα αντιστοιχούσαν σε περιοχές με πυκνότητα 0,01% μεγαλύτερη από τη μέση, 500.000 χρόνια μετά τη στιγμή της δημιουργίας. Αλλά πώς θα ήταν δυνατό να σχηματιστούν και να αναδυθούν έστω και τόσο μεγάλες ανομοιογένειες από μία απόλυτα ομαλή Μεγάλη Έκρηξη;

3. Το πρόβλημα των μονόπολων

Έπειτα, υπάρχει και το πρόβλημα των μονοπόλων. Οι θεωρίες της Μεγάλης Ενοποίησης GUTs που προβλέπουν με τόση επιτυχία το πραγματικό ποσοστό συμπαντικής ύλης, προβλέπουν επίσης και την ύπαρξη μαγνητικών μονοπόλων, με τη μορφή βαριών σωματιδίων, τα οποία είναι πολύ εύκολο να εντοπιστούν. Θα έπρεπε να έχουν ανακαλυφθεί στις κοσμικές ακτίνες, αλλά στην πραγματικότητα δεν έχει γίνει κάτι τέτοιο.

Η ιδιαίτερη γοητεία του μαγνητικού μονόπολου έγκειται στο γεγονός ότι αυτό διαθέτει τεράστια μάζα συμπυκνωμένη σε μικροσκοπικό όγκο και τεράστια πυκνότητα ενέργειας, η οποία δημιουργείται από το πεδίο Χιγκς – ακριβώς όπως οι τεχνητές φυσαλίδες ψευδοκενού.

Παρ’ όλες τις έρευνες, μόνο δύο πειράματα εντόπισαν δύο συμβάντα τα οποία ενδεχόμενα να προκλήθηκαν από το πέρασμα ενός μαγνητικού μονοπόλου μέσα από την πειραματική διάταξη και κανείς δεν είναι διατεθειμένος να αποδεχτεί τη φαινομενική ύπαρξη τους, χωρίς περισσότερα στοιχεία.

4. Το πρόβλημα της επιπεδότητας

Αλλά το πρόβλημα που πυροδότησε την έναρξη του νέου κύματος αναζήτησης, η οποία οδήγησε σε μια νέα θεωρία για την εξέλιξη του Σύμπαντος στα 10^-36 δευτερόλεπτα, ονομάζεται πρόβλημα της «επιπεδότητας». Ανάγεται στις παλιές μελέτες των γαλαξιών, της ερυθρής μετατόπισης και της συμπαντικής διαστολής και είναι το εξής: Είμαστε σε θέση να υπολογίσουμε την ταχύτητα διαστολής του Σύμπαντος και να κάνουμε και μια εκτίμηση για το ποσοστό ύλης που περιέχει — ή μάλλον για την πυκνότητα της ύλης, η οποία είναι το στοιχείο που παίζει ρόλο — μετρώντας τον αριθμό των γαλαξιών. Οι εξισώσεις του Αϊνστάιν επιτρέπουν την πιθανότητα ή ενός ανοιχτού Σύμπαντος το οποίο θα διαστέλλεται αιώνια, ή ενός κλειστού, το οποίο θα καταλήξει να καταρρεύσει σε μια πύρινη σφαίρα. Είναι επίσης πιθανό να είναι και επίπεδο, ισορροπώντας πάνω στην κόψη του ξυραφιού της βαρύτητας, ανάμεσα στις δύο προηγούμενες πιθανότητες.

Από τις παρατηρήσεις προκύπτει ότι η πραγματική πυκνότητα του Σύμπαντος είναι πολύ κοντά στην κρίσιμη πυκνότητα, που χρειάζεται για να είναι το Σύμπαν επίπεδο. Σήμερα θεωρείται ότι τελικά το Σύμπαν μοιάζει πολύ με την περισσότερο απίθανη κατάσταση: την απόλυτη ομαλότητα. Κι αυτό σημαίνει ότι όταν δημιουργήθηκε θα πρέπει να ήταν πολύ ομαλότερο (επίπεδο), όπως υπέδειξαν το 1979 οι Robert Dicke και James Peebles, δυο από τους αστρονόμους του Πρίνστον που ανακάλυψαν την ακτινοβολία του υποβάθρου.

Η ανακάλυψη ότι το Σύμπαν βρίσκεται σε μια κατάσταση — έστω και κατά προσέγγιση — ομαλότητας είναι ακόμα πιο απίθανη κι από την περίπτωση να ισορροπεί στη μύτη του επί εκατομμύρια χρόνια, ένα καλοξυσμένο μολύβι. Κι αυτό γιατί, όπως έδειξαν οι Dicke και Peebles, οποιαδήποτε απόκλιση του Σύμπαντος από την ομαλότητα που προέκυψε από τη Μεγάλη Έκρηξη, θα αυξανόταν υπερβολικά όσο το Σύμπαν διαστελλόταν και «γερνούσε».

Όπως το μολύβι πέφτει με την παραμικρότερη ώθηση, έτσι και το Σύμπαν πολύ γρήγορα αποκλίνει από την τέλεια ομαλότητα. Η κατάσταση τέλειας ισορροπίας είναι μια κατάσταση αστάθειας κι οποιαδήποτε απόκλιση από την τελειότητα καταστρέφει την ισορροπία. Από υπολογισμούς κατά τη στιγμή της Μεγάλης Έκρηξης ένα τέτοιο σύμπαν, προκειμένου να έχει πυκνότητα παραπλήσια με την κρίσιμη τιμή, ήταν σε μια κατάσταση ακραίας ομαλότητας.

Alan Guth και πληθωρισμός

Την άνοιξη του 1979, ο Dicke έδωσε μια διάλεξη στο Πανεπιστήμιο του Cornel στην οποία εξέτασε το πρόβλημα της ομαλότητας και έδειξε πόσο λεπτή είναι η ισορροπία μεταξύ αιώνιας διαστολής και βίαιης κατάρρευσης. Έτυχε τότε να την παρακολουθήσει ο νεαρός τότε ερευνητής Alan Guth.

Παρά την αρχική δυσπιστία του ο Guth βρήκε συναρπαστικές τις ιδέες του Dicke και σιγά σιγά αναμίχθηκε ολοένα και βαθύτερα στις κοσμολογικές μελέτες. Χρειάστηκαν μερικοί μήνες για να συνδυαστούν οι ιδέες που ανέπτυξε ο Dicke, εκείνη την ανοιξιάτικη μέρα στο Cornel, με άλλες ιδέες που ανακάλυπτε ο Guth στην κοσμολογία και στη σωματιδιακή φυσική (την πρωταρχική του ειδικότητα). Μέχρι τον Δεκέμβριο του 1979 οι ιδέες άρχισαν να σχηματοποιούνται στο μυαλό του και το απόγευμα μέχρι τη νύχτα της 6ης Δεκεμβρίου 1979, ο Guth συνδύασε τα κομμάτια του παζλ, πραγματοποιώντας έτσι τη μεγαλύτερη θεωρητική συμβολή στην κοσμολογία του πρωταρχικού Σύμπαντος, από την εποχή της εργασίας του Gamov, πριν από πολλά χρόνια.

Ο Guth χρησιμοποίησε και τις ιδέες της σωματιδιακής φυσικής ότι στο πολύ νεαρό σύμπαν η ασθενής, η ισχυρή και η ηλεκτρομαγνητική δύναμη αποτελούσαν μέρη μιας μοναδικής και ενιαίας δύναμης. Υπήρχε, δηλαδή, μια συμμετρία που συσχέτιζε την καθεμία δύναμη με την άλλη. Για να είναι, λοιπόν, οι δυνάμεις αυτές τόσο διαφορετικές σήμερα, η συμμετρία που τις ενοποιούσε θα πρέπει να διασπάστηκε. Στις Μεγάλες Ενοποιημένες θεωρίες GUT, αυτή η αυθόρμητη διάσπαση της συμμετρίας, όπως λέγεται, επιτυγχάνεται μέσω των επονομαζόμενων πεδίων Higgs, τα οποία είχε προτείνει ο Βρετανός φυσικός Peter Higgs, στην προσπάθεια του να εξηγήσει τον τρόπο με τον οποίο τα διάφορα στοιχειώδη σωματίδια αποκτούν τη μάζα τους.

Ο Guth εισήγαγε εν τέλει μια εντελώς καινούρια κοσμολογική έννοια, κάνοντας άλλο ένα βήμα μπροστά, τόσο σημαντικό, όσο κι η ίδια η ιδέα του κοσμικού αυγού: Το δωρεάν γεύμα.

Ο Alan Guth γεννήθηκε στο Νιου Τζέρσευ το 1947, και σπούδασε φυσική στο MIT, από όπου πήρε το μάστερ και το διδακτορικό του το 1972. Εργάστηκε πρώτα στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον, μετά στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια και τέλος στο Cornel, όπου άκουσε τον Dicke να αναφέρεται στο πρόβλημα της ομαλότητας, την άνοιξη του 1979.

Τον Οκτώβριο του 1979, ο Guth έφυγε από το Cornel και πέρασε ένα χρόνο στο Κέντρο του Γραμμικού Επιταχυντή Στάνφορντ. Και τότε άρχισε να φυτρώνει ο σπόρος που είχε φυτευτεί στο μυαλό του με την ομιλία του Dicke, αφού ποτίστηκε με όλα τα δεδομένα σχετικά με την κοσμολογία και τη σωματιδιακή φυσική, τα οποία ο Guth αφομοίωνε καθώς περνούσαν οι μήνες.

Η έννοια που επεξεργάστηκε ήταν το αληθές κενό (μια σταθερή κατάσταση του κενού σαν τη θεμελιώδη κατάσταση των ατόμων), και το ψευδοκενό (μια διεγερμένη κατάσταση σαν τις διεγερμένες καταστάσεις των ατόμων). Οι φυσικοί γνωρίζουν (με τη βοήθεια της κβαντικής φυσικής) ότι το ψευδές κενό σχετίζεται με μια τεράστια ενέργεια, που ασκεί ισχυρή βαρυτική επίδραση. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι, όπως έδειξε ο Αϊνστάιν, η ενέργεια έχει μάζα, και συνεπώς ασκεί και αυτή βαρυτική έλξη, όπως ακριβώς και η κανονική ύλη.

Η βαρυτική επίδραση της τεράστιας ενέργειας του κβαντικού κενού είναι φυσικά ισχυρότατα ελκτική. Γι αυτό και η εν λόγω κολοσσιαία βαρύτητα του ψευδοκενού δεν βοηθάει στην πρόκληση πληθωρισμού, αφού ο πληθωρισμός απαιτεί κάποιο είδος αντιβαρύτητας. Εντούτοις, η τεράστια ενέργεια του ψευδούς κενού συνδέεται με μια εξίσου τεράστια αρνητική πίεση, και αυτή ακριβώς είναι που λύνει το πρόβλημα. Στο ψευδοκενό η αρνητική πίεση είναι κολοσσιαία αντιβαρυτική, που ανταγωνίζεται την εξίσου τρομακτική βαρυτική έλξη της ενέργειας.

Στον μεταξύ τους αγώνα τελικά κερδίζει η αρνητική πίεση και γι αυτό το συνολικό αποτέλεσμα είναι η παραγωγή μιας απωστικής δύναμης τόσο μεγάλης, που μπορεί να διαλύσει το σύμπαν σε κλάσματα του δευτερολέπτου. Αυτή η γιγαντιαία πληθωριστική ώθηση ήταν που προκάλεσε το διπλασιασμό του μεγέθους του σύμπαντος κάθε 10^-34 δευτερόλεπτα.

Το ψευδές κενό είναι από τη φύση του ασταθές. Όπως όλες οι διεγερμένες κβαντικές καταστάσεις, μπορεί να αποδιεγερθεί στη θεμελιώδη κατάσταση του, δηλαδή στο αληθές κενό. Όντας μια κβαντική διαδικασία, υπόκειται στην αναπόφευκτη αβεβαιότητα και τις τυχαίες διακυμάνσεις λόγω της αρχής της απροσδιοριστίας του Heisenberg. Αυτό σημαίνει ότι η αποδιέγερση δεν θα συμβεί ομοιόμορφα σε όλο το χώρο: θα υπάρχουν διακυμάνσεις. Αυτές οι κβαντικές διακυμάνσεις του κενού είναι τελικά η πηγή των διακυμάνσεων που παρατηρήθηκαν από τους δορυφόρους COBE και WMPAP.

Την 6 Δεκεμβρίου 1979 μετά από μια συζήτηση μεταξύ του Guth κα Dicke, προέκυψε μεταξύ άλλων η ιδέα της δημιουργίας ύλης από μποζόνια X (τα μποζόνια της εποχής GUT) και το ίδιο βράδυ, ο Guth κατάλαβε ότι κάτι καινούργιο αποκρυσταλλωνόταν στο μυαλό του. Αυτό το κάτι ήταν ένα φαινόμενο ανάλογο με την υπέρψυξη του νερού, όταν δηλαδή αυτό ψύχεται κάτω από τους 0 βαθμούς Κελσίου, αλλά χωρίς να παγώνει. Καθώς η ψύξη συνεχίζεται, το νερό τελικά θα παγώσει απότομα και θα αποδώσει τη λανθάνουσα θερμοκρασία τήξης, στη διαδικασία. Κάτω από τους 0 βαθμούς Κελσίου, ο πάγος είναι μια σταθερότερη κατάσταση, έχοντας χαμηλότερη ενέργεια, αλλά η μετάβαση σε μια περισσότερο σταθερή κατάσταση με επακόλουθη απελευθέρωση λανθάνουσας θερμικής ενέργειας, πραγματοποιείται πάντοτε στους 0 βαθμούς Κελσίου.

Ο Guth είπε ότι κάτι παρόμοιο θα μπορούσε να συμβαίνει και στα πεδία Higgs. Ενώ η θερμοκρασία του Σύμπαντος συνεχίζει να κατεβαίνει κάτω από τους 10²⁷ Κέλβιν, όπου η συμμετρία πρέπει να καταστραφεί, τα πεδία παραμένουν για κάποιο χρόνο σε κατάσταση ψευδοκενού (μια κατάσταση λίγο πιο πάνω από το αληθές κενό), όπως το υπέρψυχρο νερό παραμένει υγρό ακόμα κι όταν η θερμοκρασία είναι κατώτερη από το σημείο πήξης. Η συμμετρία καταστρέφεται μόνο εάν και εφόσον τα πεδία «βρουν» έναν τρόπο να περάσουν μέσα από τα τοιχώματα γύρω τους και να φτάσουν σε μια «βαθύτερη» κατάσταση αληθινού κενού, στην οποία καταστρέφεται η συμμετρία.

Ο Guth είχε ανακαλύψει τη βάση για μια περιγραφή του πολύ πρωταρχικού Σύμπαντος, η οποία σήμερα είναι γνωστή σαν πληθωρισμός. Και σύντομα συνειδητοποίησε ότι το νέο μοντέλο του θα μπορούσε να ερμηνεύσει το πρόβλημα της ομοιομορφίας του σύμπαντος. Και παρόλο που η εργασία του έδειξε ότι το μοντέλο εμφάνιζε ορισμένες ατέλειες, προχώρησε στη δημοσίευση της εργασίας, δηλώνοντας χωρίς περιστροφές ότι κάποιος άλλος θα συμπλήρωνε τις ατέλειες και θα βελτίωνε την ιδέα.

Πεδίο Higgs και πληθωρισμός

Ο Guth, που στην αρχή είχε ασχοληθεί με τη σωματιδιακή φυσική, μπόρεσε να εφαρμόσει τις θεωρίες της μεγάλης ενοποίησης GUTs στην κοσμολογία. Έτσι, μπόρεσε να πάρει ακριβώς τον κατάλληλο μηχανισμό για να πετύχει την εκθετική διαστολή ή πληθωρισμό.

Μετά την εποχή Planck, κατά τα πρώτα 10 ^-43 του δευτερολέπτου, σπάει η αρχική μεγάλη συμμετρία  και η βαρύτητα αποχωρίζεται από τις υπόλοιπες τρεις δυνάμεις. Ομοίως η ισχυρή πυρηνική δύναμη – περίπου στα πρώτα 10^-35 sec – αποχωρίζεται από την ηλεκτρασθενή (άλλη μια διάσπαση συμμετρίας).

Στα πλαίσια των θεωριών της μεγάλης ενοποίησης υπάρχουν βαθμωτά πεδία τα οποία σχετίζονται με τις διασπάσεις αυτών των συμμετριών. Ακριβώς τότε – και σε χρόνο 10^-32 sec περίπου – τα βαθμωτά πεδία διπλασίασαν το μέγεθος του σύμπαντος τουλάχιστον κατά μια φορά ανά 10^-34 του δευτερολέπτου ή μέσα σε 10^-32 sec έγιναν 100 διπλασιασμοί μεγέθους.

Το μοντέλο του Guth ξεκινά από την ιδέα της μετάβασης Higgs, δηλαδή την χρονική στιγμή που διασπώνται οι GUTs, ή την διαδικασία με την οποία καταστρέφεται η συμμετρία τους, καθώς τα διανυσματικά μποζόνια Χ της GUT «καταβροχθίζουν» τα σωματίδια Higgs και αποκτούν μάζα.

Ο Guth έδωσε το όνομα «ψεύτικο κενό» ή ψευδοκενό στην κατάσταση όπου τα πεδία Higgs είναι μεν μηδενικά – ενώ η πυκνότητα της ενέργειας των πεδίων Higgs είναι κολοσσιαία και σταθερή! – και αληθές κενό στην κατάσταση στην οποία η πυκνότητα ενέργειας των πεδίων Higgs έχει την ελάχιστη τιμή της και το ίδιο το πεδίο δεν είναι μηδενικό (αντίθετες δηλαδή καταστάσεις στα δύο είδη κενού). Στο αληθές κενό η συμμετρία είναι κατεστραμμένη και τα διανυσματικά μποζόνια έχουν αποκτήσει μάζα. Μάλιστα πρότεινε ότι η διαταραχή της GUT αντιστοιχεί σε μια μετάβαση από το ψεύτικο στο αληθινό κενό.

Η κολοσσιαία ενέργεια την εποχή του πληθωρισμού βρέθηκε, λοιπόν, μέσα στο ψευδοκενό, που χαρακτηρίζεται από ένα πεδίο απωστικής βαρύτητας. Ας σημειωθεί ότι ένα χαρακτηριστικό του ψευδοκενού είναι ότι δεν αραιώνει με την διαστολή – όπως για παράδειγμα ένα αέριο – αλλά η πυκνότητα της ενέργειας του παραμένει σταθερή καθώς ο Κόσμος αυξάνεται. Με αυτό τον τρόπο, λόγω της διαστολής η ενέργεια του αντί να μειώνεται, συνεχώς αυξανόταν, δημιουργώντας κολοσσιαίες ποσότητες ενέργειας.    

Όμως, από τις εξισώσεις προκύπτει ότι το σύμπαν ψύχθηκε ανάμεσα στο 10^-43 και 1O^-35 δευτερόλεπτο – μετά τη στιγμή της δημιουργίας – και τότε τα πεδία Higgs σταθεροποιούνται σε μια κατάσταση ελάχιστης ενέργειας. Αλλά σε ποιά κατάσταση σταθεροποιήθηκε;

Ας υποθέσουμε ότι σταθεροποιούνται τελικά σε μια κατάσταση που αντιστοιχεί στο ψεύτικο κενό, το οποίο είναι απλώς ένα τοπικό ελάχιστο, σαν μια κοιλότητα που βρίσκεται μέσα στον κρατήρα ενός ηφαιστείου. Σε μια τέτοια κατάσταση:
— η συμμετρία παραμένει αδιατάραχτη
— η ισχυρή κι η ηλεκτρασθενής δύναμη παραμένουν ενωμένες και η πυκνότητα της ενέργειας των πεδίων είναι κολοσσιαία: 10⁹⁵ έργια ανά κυβικό εκατοστό, δηλαδή 10⁵⁹ φορές μεγαλύτερη από την πυκνότητα του ατομικού πυρήνα.

Όπως τα σωματίδια άλφα διαφεύγουν μέσα από μια κβαντική σήραγγα κάνοντας χρήση της Αρχής της Απροσδιοριστίας, έτσι και τα πεδία Higgs μπορούν να ξεφύγουν από την κατάσταση του ψεύτικου κενού μέσα από μια σήραγγα με τη βοήθεια της Αρχής της Απροσδιοριστίας, προς το αληθές κενό.

Ο Guth ανακάλυψε έκπληκτος ότι ενώ το πεδίο Higgs εγκλωβίζεται στο ψεύτικο κενό (ή στην υπέρψυχρη κατάσταση), η τεράστια πυκνότητα της ενέργειας του έχει σαν αποτέλεσμα μια κολοσσιαία συνεχής ώθηση του Σύμπαντος προς τα έξω, η οποία το εξαναγκάζει να διασταλεί με πολύ μεγαλύτερη ταχύτητα απ’ αυτή που προβλέπει το Αποδεκτό Μοντέλο.

Για ένα πολύ σύντομο χρονικό διάστημα, η επίδραση είναι παρόμοια με την εισαγωγή στις εξισώσεις μιας κοσμολογικής σταθεράς, αλλά πολύ ισχυρότερης απ’ όσο είχε φανταστεί ο Αϊνστάιν. Το αποτέλεσμα είναι η εκθετική διαστολή του σύμπαντος.

Το σύμπαν δηλαδή διπλασιάζεται σε μέγεθος συνεχώς, κάθε 10^-34 του δευτερολέπτου που περνάει. Αλλά αν το Σύμπαν διπλασιάζεται κάθε 10^-34 του δευτερολέπτου, τότε 10^-33 του δευτερόλεπτα μετά τη στιγμή της δημιουργίας, ο δεδομένος όγκος έχει υποστεί διπλασιασμό 10 φορές και αυξάνεται σε μέγεθος με ένα συντελεστή της τάξης του 2¹⁰⁰. Σε ελάχιστο χρόνο μια περιοχή 10^-32 φορές μικρότερη από ένα πρωτόνιο (περίπου 10^-48 εκατοστά) μπορεί να διογκωθεί — απ’ αυτό προήλθε και η ονομασία του μοντέλου — και να γίνει μια περιοχή με διάμετρο 10 εκατοστά, αντίστοιχη δηλαδή με το χώρο που καταλαμβάνει ένα γκρέηπφρουτ. Ή για να καταλάβουμε το μέγεθος της διαστολής φαντασθείτε ένα μπιζέλι (με ακτίνα 1 εκατοστό) να καταλάβει τον χώρο του δικού μας Γαλαξία.

Αν δεν υπήρχε ο πληθωρισμός αντί για την αύξηση της ακτίνας του σύμπαντος κατά 10⁵⁰ φορές – μέσα σε 10^-32 του δευτερολέπτου – το σύμπαν θα είχε αυξηθεί μόνο κατά 30 φορές!  

Μία από τις πιο παράξενες ιδιότητες του πληθωρισμού είναι ότι έδρασε ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός. Το φως χρειάζεται 30 δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου για να διασχίσει ένα εκατοστό, ο πληθωρισμός όμως διαστέλλει το σύμπαν από μια διάμετρο πολύ-πολύ μικρότερη αυτής του πρωτονίου σε διάμετρο 10 cm σε χρόνο 15 Χ 10^-33 sec. Οι υπολογισμοί δείχνουν μια ταχύτητα διαστολής 100 φορές μεγαλύτερη από του φωτός. Κάτι τέτοιο επιτρέπεται από τη σχετικότητα γιατί δεν κινείται η ύλη, αλλά διαστέλλεται ο ίδιος ο χωροχρόνος.

Διαστάσεις του σύμπαντος πριν και μετά τον πληθωρισμό

– Ο αισθητός Κόσμος είναι η πιο μακρινή ακτίνα στην οποία μπορούμε να δούμε σήμερα. Είναι ο σφαιρικός όγκος του Κόσμου μέσα στον παρόντα ορίζοντα. Η ακτίνα αυτής της σφαίρας είναι η απόσταση που έχει ταξιδέψει το φως από την αρχή του χρόνου. Αν πολλαπλασιάσουμε την ταχύτητα του φωτός με την ηλικία του σύμπαντος  παίρνουμε κατά προσέγγιση 10²⁸ εκατοστά για τον ορίζοντα σήμερα.

– Η εξίσωση για την διαστολή του Κόσμου λέει ότι έχει διασταλεί σχεδόν κατά έναν παράγοντα 10²⁶ από την εποχή μετά τον πληθωρισμό (10^-32  δευτερόλεπτα) έως σήμερα . Κατά συνέπεια, ο σημερινός ορίζοντας μετά το τέλος του πληθωρισμού ήταν τότε μια σφαίρα διαμέτρου περίπου 10 έως 100 εκατοστά (η διαφορά είναι μικρή).

– Και στην αρχή του πληθωρισμού ο αισθητός κόσμος ήταν περίπου 10⁵⁰ φορές μικρότερος, ή μόνο 10^-48 εκατοστά. Ήταν πάρα πολύ μικρότερος από οποιαδήποτε γνωστή μας δομή.

Ο πληθωρισμός πραγματοποιείται στον απίστευτα μικροσκοπικό κόσμο του πολύ πρώιμου σύμπαντος, και ξαφνικά τον κάνει να αποκτήσει διαστάσεις στις οποίες είμαστε εξοικειωμένοι.

Αλλά από τη στιγμή που τα πεδία Higgs θα ξεφύγουν προς το αληθινό κενό, μέσα από τη «κβαντική σήραγγα», σταματά ο ραγδαίος εκθετικός πληθωρισμός. Αυτό είχε σαν αποτέλεσμα να μην δημιουργείται πια ενέργεια στο ψευδοκενό και ο πληθωρισμός να σταματήσει.  Η ενέργεια του πεδίου είχε καταναλωθεί στην παραγωγή ενός τεράστιου πλήθους ζευγών από σωματίδια και αντι-σωματίδια (μια καυτή σούπα από ηλεκτρόνια, ποζιτρόνια, νετρίνα και κουάρκς). Τότε το σύμπαν αναθερμαίνεται από τη διαδικασία αυτή φτάνοντας ξανά στους 10²⁷ Κέλβιν. Αυτή η αναθέρμανση εμφανίζεται λόγω της παραγωγής σωματιδίων από το πεδίο Higgs. Μάλιστα όλη η ύλη από την οποία αποτελείται σήμερα το σύμπαν δημιουργήθηκε από τη διαδικασία της αναθέρμανσης.

Σχεδόν το σύνολο της ύλης και της ενέργειας του Σύμπαντος όπως το ξέρουμε, θα μπορούσε να έχει προκύψει με αυτό τον τρόπο από τη διαδικασία της πληθωρισμός.

Αυτή η δυνατότητα δημιουργείται επειδή η βαρυτική ενέργεια του Σύμπαντος είναι αρνητική κι όσο περισσότερο αρνητική είναι, τόσο μεγαλύτερο είναι και το Σύμπαν.

Κι ενώ η βαρυτική ενέργεια του σύμπαντος – στην περίοδο του πληθωρισμού – γίνεται όλο και περισσότερο αρνητική, αυξάνεται η θετική ύλο-ενέργεια κι έτσι επέρχεται αλληλοεξουδετέρωση. Κι όπως το θέτει ο Guth, το Σύμπαν είναι το «δωρεάν γεύμα».

Όσο επιβραδύνεται η διαστολή, αποκτώντας το φυσιολογικό της ρυθμό — που αντιστοιχεί στο Καθιερωμένο Μοντέλο της Μεγάλης Έκρηξης — τα μποζόνια X (της υπερδύναμης), που δημιουργήθηκαν από την ενέργεια Higgs, αποσυντίθενται προκαλώντας μια μικρή περίσσεια ύλης ως προς την αντιύλη και τα υπόλοιπα εξελίσσονται όπως περιγράφει το Καθιερωμένο Μοντέλο.

Ο ίδιος ο πληθωρισμός ολοκληρώνεται μόλις 10^-30 δευτερόλεπτα μετά τη στιγμή της δημιουργίας και στο τέλος της εποχής του πληθωρισμού το σύμπαν έχει ένα πυκνό μίγμα από κουάρκ (ύλη), αντικουάρκ (αντιύλη) και γκλουόνια.

Λύνονται και τα υπόλοιπα τρία προβλήματα

Η επίλυση του προβλήματος του ορίζοντα είναι η εξής: απλά, οι περιοχές που βρίσκονται σήμερα στις «αντίθετες πλευρές» του Σύμπαντος βρίσκονταν σε επαφή» λίγο μετά τη στιγμή της δημιουργίας, προτού απομακρυνθούν ραγδαία η μία από την άλλη εξαιτίας της πληθωρισμού. Το Σύμπαν που αντιλαμβανόμαστε σήμερα είναι πολύ ομοιόμορφο, επειδή έχει προέλθει από την «έκρηξη» ενός μικροσκοπικού σπόρου στον οποίο όλη η ενέργεια ήταν ομοιόμορφα κατανεμημένη.

Η επίλυση του προβλήματος της ομαλότητας είναι λίγο πιο πολύπλοκη. Όταν φουσκώνετε ένα μπαλόνι, η επιφάνεια γίνεται ολοένα και πιο επίπεδη (ομαλότερη) όσο πιο πολύ διογκώνεται το μπαλόνι. Τείνει να ταυτιστεί με μια επίπεδη επιφάνεια. Το ίδιο συμβαίνει και στην περίπτωση της καμπύλωσης του χωροχρόνου, καθώς ο χωροχρόνος διαστέλλεται εξαιτίας της πληθωρισμού. Οποιοδήποτε βαθμό καμπύλωσης κι αν θεωρήσετε για αρχή, από τη στιγμή που ο χωροχρόνος έχει διασταλεί με ένα συντελεστή της τάξης του 10⁵⁰, καταντά να ταυτίζεται με μια επίπεδη επιφάνεια (επίπεδο Σύμπαν). Κάθε κυρτό σύμπαν μετατρέπεται — απ’ όσο μπορούν να μας πουν οι παρατηρήσεις μας — σε επίπεδο σύμπαν, με πυκνότητα που πλησιάζει στην κρίσιμη τιμή, από τη στιγμή που το σύμπαν έχει φτάσει στο μέγεθος ενός γκρέηπφρουτ. Επίσης, επειδή η ενέργεια σε ένα βαρυτικό πεδίο είναι αρνητική, ενώ η ενέργεια που αποθηκεύεται στην ύλη είναι θετική, αν το σύμπαν είναι ακριβώς επίπεδο, τότε όπως υπέδειξε ο Tryon οι δύο ποσότητες εξουδετερώνονται, και η συνολική ενέργεια του Σύμπαντος είναι ακριβώς μηδέν. Στη περίπτωση αυτή, οι κβαντικοί κανόνες του επιτρέπουν να ζήσει επ’ άπειρον. 

Και το πρόβλημα των μονοπόλων λύνεται με πραγματικά πολύ απλό τρόπο. Παρόλο που μπορεί να υπήρχαν αρκετά μονόπολα στο πολύ πρωταρχικό Σύμπαν, πριν τον πληθωρισμό, η περιοχή του χώρου που μπορούμε να δούμε έχει προέλθει από τη διαστολή ενός τόσο μικρού όγκου, ώστε να είναι πολύ απίθανο να υπήρξε έστω και ένα μονόπολο σ’ αυτήν ειδικά την περιοχή του χωροχρόνου. Αυτή η ανάλυση του προβλήματος των μονοπόλων αποτελεί το κυριότερο μέρος του μοντέλου Guth αλλά και των μεταγενέστερων πληθωριστικών μοντέλων. Σαν συνέπεια, μπορεί στην πραγματικότητα να υπάρχουν άλλες περιοχές του χωροχρόνου πέρα από το ορατό Σύμπαν οι οποίες δεν υπέστησαν διόγκωση με την ίδια ταχύτητα με τη δική μας «φυσαλίδα» από την οποία προήλθε το Σύμπαν. Μπορεί να ζούμε σε μια «τοπική» περιοχή (η οποία είναι ολόκληρο το παρατηρήσιμο Σύμπαν) ενός πολύ μεγαλύτερου μετασύμπαντος. Αλλά θα μπορούσαν να γίνουν ορατές αυτές οι περιοχές; Στην πραγματικότητα, αυτή η προοπτική υπήρξε και η μοιραία ατέλεια του πρωταρχικού πληθωριστικού μοντέλου.

 Το Χαοτικό Πληθωριστικό Μοντέλο του Andrei Linde

Ο Guth όμως παρά τις επιτυχίες του υπέθεσε ένα σύμπαν πολύ διαφορετικό από αυτό που βλέπουμε σήμερα. Φυσικά ήταν σωστή η εκθετική διόγκωση του σύμπαντος που έλυσε τόσα πολλά προβλήματα.

Αλλά το επόμενο βήμα έγινε από το φυσικό Andrei Linde, που τότε ήταν στο Ινστιτούτο Λέμπεντεφ της Μόσχας, το 1981. Ο Andrei Linde γεννήθηκε στη Μόσχα το 1948 και σπούδασε φυσική στο εκεί πανεπιστήμιο, προτού εγκατασταθεί σαν ερευνητής στο Ινστιτούτο Λέμπεντεφ. Ο Linde ενδιαφέρθηκε για τη φύση της φάσης μετατροπής υψηλών ενεργειών των πεδίων Higgs και γοητεύτηκε από την εργασία του Guth. Τον προβλημάτιζε όμως σε βαθμό ενόχλησης η δυσκολία εξήγησης μιας ομαλής μετάβασης από το ψεύτικο στο αληθινό κενό.

Αλλά το καλοκαίρι του 1981, ανακάλυψε μια λύση στο πρόβλημα. Ο Linde θεώρησε ότι δεν υπάρχει ένα βαθύ πηγάδι, σαν τον κρατήρα ενός ηφαιστείου, που αντιστοιχεί στην κατάσταση του ψεύτικου κενού. Αντί γι’ αυτό, υπάρχει ένα χαμηλό «οροπέδιο» ενέργειας το οποίο έχει πλαγιές με ελαφριά κλίση που καταλήγουν στην κατάσταση του αληθινού κενού — το οποίο βρίσκεται στους «πρόποδες» του οροπεδίου. Ένα πεδίο Higgs πάνω σ’ ένα τέτοιο εξόγκωμα θα «κατρακυλούσε» πολύ ομαλά και ήρεμα στην κατάσταση του αληθινού κενού, χωρίς περίπλοκες σειρές τοπικών κβαντικών μεταβάσεων, που θα αντιστοιχούσαν στο «άνοιγμα» μιας «σήραγγας» μέσα από το τοίχωμα. Το αποτέλεσμα είναι ένα σύμπαν ομαλό και ομοιόμορφο, ένα σύμπαν που έχει συμπυκνωθεί σαν το ζελέ στο ψυγείο, και που δεν μοιάζει καθόλου με το σμήνος των αυγών του βατράχου. Η ιδέα έγινε γνωστή σαν το «νέο πληθωριστικό σενάριο» και παρόλο που μεσολάβησε ένα μικρό χρονικό διάστημα, έγινε πολύ δημοφιλής, στα μέσα της δεκαετίας του 1980.

Δεξιά: Το πεδίο Inflaton, η αιτία της πληθωριστικής διαστολής του χώρου, συμπεριφέρθηκε όπως μια μπάλα που κυλά σε μια πλαγιά: Αναζητούσε το ελάχιστο της δυναμικής του ενέργειας (κατακόρυφος άξονας). Η αρχική τιμή του πεδίου ήταν υψηλή λόγω των κβαντικών διαδικασιών στην έναρξη του χρόνου. Ενώ στον συμβατικό πληθωρισμό, το πεδίο κινήθηκε κατευθείαν στο ελάχιστο του, όμως σε μια παραλλαγή του πληθωρισμού – τον ανοικτό πληθωρισμό – παγιδεύτηκε σε ένα τοπικό ελάχιστο. Σε όλη σχεδόν την έκταση του σύμπαντος, το πεδίο παρέμεινε εκεί και ο πληθωρισμός δεν τερματίστηκε ποτέ. Σε ορισμένες όμως τυχερές περιοχές, το πεδίο μπόρεσε να ξεφύγει, μέσω του κβαντικού φαινομένου σήραγγας, απ’ το τοπικό ελάχιστο και ολοκλήρωσε την κάθοδό του. Μια τέτοια περιοχή έγινε τελικά η φυσαλίδα μέσα στην οποία ζούμε. Μόλις το πεδίο Inflaton πλησίασε στο ελάχιστό του, την τελική θέση ισορροπίας, άρχισε να ταλαντώνεται πέρα-δώθε, γεμίζοντας το χώρο με ύλη και ακτινοβολία. Ουσιαστικά τότε άρχισε το Big Bang.

Λίγο αργότερα ο Linde πρότεινε το «χαοτικό πληθωρισμό», ανοίγοντας νέους ορίζοντες στη θεωρητική κοσμολογία. Οι ερευνητές συνειδητοποίησαν, παράλληλα, ότι τα νεαρό σύμπαν θα πρέπει να έδωσε το έναυσμα για τη δημιουργία ηχητικών κυμάτων, τα οποία προκάλεσαν μια σειρά από συμπυκνώσεις και αραιώσεις του αρχέγονου πλάσματος. Αυτές με τη σειρά τους δημιούργησαν πολύ μικρές εναλλαγές θερμοκρασίας (οι συμπυκνώσεις της ύλης αύξαναν λίγο τη θερμοκρασία, ενώ οι αραιώσεις τη μείωναν), οι οποίες αποτυπώθηκαν -«πάγωσαν», θα λέγαμε- στην κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου (η οποία ήδη είχε εντοπισθεί). Ποια όμως ήταν η πηγή των αρχικών διακυμάνσεων, από τις οποίες προήλθαν τα ηχητικά κύματα;

Σύμφωνα με τη θεωρία του πληθωριστικού σύμπαντος, η επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος οφείλεται σε μια παράξενη μορφή ενέργειας ενός πεδίου, το οποίο αναφέρεται κι ως «πεδίο inflaton». Με το πέρας της πληθωριστικής εποχής, η αρχική μικρή μας περιοχή έχει διασταλεί σε απίστευτο βαθμό. Η αρχική συμμετρία μεταξύ των τριών αλληλεπιδράσεων (ασθενής, ισχυρή και ηλεκτρομαγνητική) έχει πλέον διασπαστεί και η ενέργεια των πεδίων Higgs απελευθερώνεται, οδηγώντας σε μια εκρηκτική παραγωγή στοιχειωδών σωματιδίων.

Η θεωρία του πληθωρισμού επιβεβαιώνεται από τις μετρήσεις της μικροκυματικής ακτινοβολίας από το δορυφόρο WMAP. Παράλληλα, η θερμοκρασία αυξάνεται ξανά, πλησιάζοντας τους 10²⁷ βαθμούς Κέλβιν (επαναθέρμανση). Εκείνο που απομένει είναι μια καυτή θάλασσα στοιχειωδών σωματιδίων σε θερμική ισορροπία – ακριβώς, δηλαδή, αυτό που προϋποθέτει, χωρίς όμως να το εξηγεί, η κλασική θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης. Το πληθωριστικό μοντέλο προβλέπει ότι οι κβαντικές διακυμάνσεις θα μπορούσαν να έχουν δημιουργήσει μικροσκοπικές ρυτιδώσεις στην δομή του σύμπαντος, ακόμη και όταν το σύμπαν είχε μέγεθος της τάξης του 10^-25 cm, δηλαδή 100 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερο από το μήκος Planck. Οι ρυτιδώσεις αυτές αντιστοιχούν στις ανωμαλίες στην κατανομή της ύλης και της ενέργειας στο σύμπαν. Αυτές οι διαταραχές της πυκνότητας, τελικά άφησαν ένα αποτύπωμα στη μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου, κατά τον χρόνο που η ύλη και η ακτινοβολία αποσυζεύχθηκαν (περίπου 380.000 χρόνια μετά το Big Bang), παράγοντας ακριβώς το είδος της ανομοιομορφίας στην ακτινοβολία υποβάθρου, που παρατηρούμε σήμερα. Μετά την αποσύζευξη, οι διακυμάνσεις της πυκνότητας διαστάλθηκαν και αποτέλεσαν την μεγάλης κλίμακας δομή του σύμπαντος που εκδηλώνεται σήμερα με την κατανομή των σμηνών των γαλαξιών. Αυτό σημαίνει ότι οι παρατηρήσεις ακτινοβολίας υποβάθρου μας δίνουν στην πραγματικότητα πληροφορίες για το τι συνέβη στο σύμπαν όταν αυτό είχε ηλικία λιγότερη από 10^-20 του δευτερολέπτου.

Από το σημείο αυτό και ύστερα, η περιοχή συνεχίζει να διαστέλλεται και να ψύχεται με τον τρόπο που περιγράφει η κλασική θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης. Οι κβαντικές διακυμάνσεις των πεδίων Higgs μεγεθύνθηκαν από την εκθετική διαστολή του σύμπαντος και δημιούργησαν τις διακυμάνσεις στην ενεργειακή πυκνότητα της αρχέγονης ύλης του νεαρού σύμπαντος και εντέλει τις κοσμικές δομές που παρατηρούμε σήμερα.

Ο Linde όπως γνωρίζουμε βοήθησε στην εδραίωση της πληθωριστικής κοσμολογίας – τη θεωρία ότι ο Κόσμος άρχισε όχι με ένα καυτό Big Bang αλλά με μια εξαιρετικά γρήγορη διαστολή (πληθωρισμός) του χώρου σε μια κατάσταση σαν το κενό. Σύμφωνα με την πληθωριστική θεωρία, αυτό που ονομάζουμε Σύμπαν είναι μόλις ένα λεπτό τμήμα ενός πολύ μεγαλύτερου Κόσμου.

Το 1983, ο Linde υπέθεσε ότι η κβαντική κατάσταση του πρώιμου σύμπαντος θα μπορούσε να ποικίλλει από περιοχή σε περιοχή με χαοτικό τρόπο: χαμηλή ενέργεια εδώ, μετρίως διεγερμένη κατάσταση εκεί, εντόνως διεγερμένη σε άλλες περιοχές. Ο πληθωρισμός θα εμφανιζόταν στις περιοχές όπου η κατάσταση ήταν διεγερμένη. Επιπλέον, οι υπολογισμοί του Linde για τη συμπεριφορά της κβαντικής κατάστασης έδειξαν σαφώς ότι οι ανώτερες διεγερμένες καταστάσεις θα διαστέλλονταν με ταχύτερο ρυθμό απ’ ό,τι οι άλλες, ενώ θα αποδιεγείρονταν με αργότερο ρυθμό · έτσι, όσο πιο διεγερμένη ήταν η κατάσταση σε μια συγκεκριμένη περιοχή του χώρου, τόσο περισσότερο το σύμπαν θα διαστελλόταν πληθωριστικά σ’ αυτή την περιοχή.

Είναι προφανές ότι ύστερα από πολύ σύντομο χρονικό διάστημα οι περιοχές του χώρου όπου τυχαία η ενέργεια ήταν υψηλότερη, και συνεπώς η πληθωριστική διαστολή ταχύτερη, θα είχαν διογκωθεί περισσότερο από όλες τις άλλες και θα καταλάμβαναν τη μερίδα του λέοντος από τον συνολικό χώρο. Ο Linde παρομοιάζει αυτή την κατάσταση με τη δαρβινική εξέλιξη ή τα οικονομικά. Μια επιτυχημένη κβαντική διακύμανση που οδηγεί σε ανώτερη διεγερμένη κατάσταση, αν και σημαίνει δανεισμό μεγάλου ποσού ενέργειας, επιβραβεύεται αμέσως από την τεράστια αύξηση του όγκου της περιοχής όπου συνέβη. Επομένως, οι περιοχές που δανείζονται μεγάλα ποσά ενέργειας και διαστέλλονται υπερπληθωριστικα σύντομα θα κυριαρχήσουν.

Εξαιτίας του χαοτικού πληθωρισμού, το σύμπαν θα διαχωριζόταν σε μια ομάδα μίνι-συμπάντων, ή φυσαλίδων, μερικά από τα οποία θα διαστέλλονταν πληθωριστικά «σαν τρελά», ενώ άλλα δεν θα διαστέλλονταν καθόλου. Λόγω των τυχαίων διακυμάνσεων, μερικές περιοχές θα είχαν πολύ υψηλές ενέργειες διέγερσης, και επομένως σ’ αυτές τις περιοχές θα συντελούνταν πολύ μεγαλύτερη πληθωριστική διαστολή απ’ όση είχε υποτεθεί στην αρχική θεωρία. Ωστόσο, επειδή αυτές ακριβούς είναι οι περιοχές που διαστέλλονται περισσότερο, ένα τυχαία επιλεγμένο σημείο στο μεταπληθωριστικό σύμπαν είναι πολύ πιθανό να βρίσκεται σε μια τέτοια περιοχή. Έτσι, και η δική μας θέση στο Διάστημα πιθανότατα βρίσκεται βαθιά στο εσωτερικό μιας τέτοιας περιοχής που έχει διασταλεί υπερπληθωριστικά. O Linde υπολόγισε ότι τέτοιες «μεγάλες φυσαλίδες» μπορεί να έχουν προκύψει από διαστολή κατά έναν παράγοντα ίσο με το 10 υψωμένο στα εκατό εκατομμύρια μηδενικά!.

Μέσα στη δική μας φυσαλίδα—η οποία εκτείνεται σε τεράστιες αποστάσεις πέρα από το σύμπαν που είναι σήμερα παρατηρήσιμο—, ύλη και ενέργεια είναι σχεδόν ομοιόμορφα κατανεμημένες. Ωστόσο, πέρα από αυτήν βρίσκονται άλλες φυσαλίδες, καθώς επίσης και περιοχές που είναι ακόμη στη διαδικασία του πληθωρισμού. Στην πραγματικότητα, στο μοντέλο του Linde ο πληθωρισμός δεν παύει ποτέ: υπάρχουν πάντα περιοχές του χώρου όπου συντελείται πληθωριστική διαστολή και όπου νέες φυσαλίδες σχηματίζονται, ακόμη και όταν άλλες ολοκληρώνουν τον κύκλο της ζωής τους και πεθαίνουν. Έτσι, αυτή είναι μια μορφή αιώνιου σύμπαντος, παρόμοια με εκείνη της θεωρίας των συμπάντων-βρεφών, όπου νέα ζωή και νέα σύμπαντα αναδύονται αιώνια. Δεν υπάρχει τέλος στην παραγωγή νέων φυσαλίδων-συμπάντων μέσω πληθωρισμού — και πιθανώς ούτε αρχή, αν και όσον αφορά αυτό το ζήτημα υπάρχουν τώρα κάποιες διαφωνίες.

“Το Σύμπαν μοιάζει πραγματικά, όχι όπως μια φυσαλίδα, αλλά όπως μια φυσαλίδα που παράγει νέες φυσαλίδες”, εξηγεί ο Linde. “Ζούμε σε ένα μικροσκοπικό μέρος της μιας φυσαλίδας, και κοιτάζουμε γύρω μας και λέμε”, αυτός είναι ο Κόσμος μας.”

Μερικοί θεωρητικοί προσπάθησαν να ξεπεράσουν τις όποιες δυσκολίες του προηγούμενου μοντέλου, εγκαταλείποντας τη θεωρία με τις GUT, η οποία δεν είναι καλά κατανοητή, και υιοθετώντας μια άλλη θεωρία, τη SUSY (υπερσυμμετρία), η οποία είναι ακόμα λιγότερο κατανοητή. 

Η βασική όμως ιδέα μοιάζει σήμερα αρκετά δυνατή και αρκετά καλά εδραιωμένη, ώστε να έχουμε τόση εμπιστοσύνη στο γεγονός ότι στην αρχή της ζωής του Σύμπαντος υπήρξε μια περίοδος πληθωρισμού, που «φούσκωσε» ένα χώρο με το μέγεθος του Πλανκ (1O^-43 εκατοστά) στο μέγεθος όλων αυτών που βλέπουμε γύρω μας, όση εμπιστοσύνη έδειξε κι ο Gamov στην ιδέα της Μεγάλης Έκρηξης, πριν από εξήντα χρόνια.

Ο Κόσμος μετά τον πληθωρισμό

Και τι έγινε μετά το τέλος του πληθωρισμού; Το σύμπαν έγινε σχεδόν ομοιογενές, επίπεδο, και χωρίς σωματίδια. Μία από τις επιτυχίες της θεωρίας του πληθωρισμού είναι ότι εξήγησε γιατί δεν βλέπουμε σήμερα σωματίδια – λείψανα εκείνης της εποχής, μονόπολα και γκραβιτίνα. Όμως ακόμα πρέπει να εξηγήσουμε πώς γεννήθηκαν όλα τα σωματίδια που βλέπουμε σήμερα Επειδή ο πληθωρισμός μειώνει την πυκνότητα των σωματιδίων ουσιαστικά στο μηδέν, ξέρουμε ότι τα σωματίδια σήμερα στον Κόσμο πρέπει όλα να έχουν παραχθεί μετά από τον πληθωρισμό.

Θυμηθείτε ότι ο πληθωρισμός εμφανίζεται όταν σε κάποια περιοχή του διαστήματος (ψευδοκενό) η μεγαλύτερη συμβολή στην ενεργειακή πυκνότητα προέρχεται από ένα βαθμωτό πεδίο υψηλής ενέργειας. Το βαθμωτό πεδίο που προκάλεσε τον πληθωρισμό λέγεται ίνφλατον (inflaton). Κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού το σύμπαν επεκτείνεται όπως είδαμε εκθετικά και η ενεργειακή πυκνότητα του πεδίου ίνφλατον μειώνεται πολύ αργά. Ο πληθωρισμός τελειώνει όταν αυτό το πεδίο φτάσει σε μια αρκετά χαμηλή ενεργειακή πυκνότητα (στο αληθές κενό), αρχίζοντας να συμπεριφέρεται σαν την ύλη, δηλ. όταν αρχίζει το σύμπαν να υφίσταται κανονική διαστολή. Έτσι στο τέλος του πληθωρισμού ουσιαστικά όλη η ενέργεια του Κόσμου περιλαμβάνεται σε αυτό το ένα, σχεδόν ομοιογενές πεδίο.

Πολλά πεδία και σωματίδια στον Κόσμο είναι ασταθή που σημαίνει ότι μετά από λίγο αποσυντίθενται σε άλλες μορφές ενέργειας. Έτσι και το πεδίο ίνφλατον, μόλις η ενεργειακή πυκνότητά του έγινε αρκετά μικρή ώστε να μην μπορεί να κάνει εκθετική διαστολή, το πεδίο inflaton γίνεται ιδιαίτερα ασταθές. Μετά από τον πληθωρισμό η ενέργεια στο πεδίο inflaton θα είχε διασπαστεί γρήγορα σε άλλα σωματίδια και πεδία, έως ότου τελικά ο Κόσμος να περιέχει κυρίως από πιο μακρόβιες μορφές ύλης και ενέργειας, όπως πρωτόνια, νετρόνια, ηλεκτρόνια, και ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία.

Αυτά τα σωματίδια-λείψανα (μονόπολα και γκραβιτίνα) μπορούσαν να παραχθούν μόνο στις θερμές και πυκνές συνθήκες του πρώιμου σύμπαντος. Και μετά από τον πληθωρισμό η πυκνότητα και η θερμοκρασία ήταν πάρα πολύ μικρή για να παραχθούν αυτά τα μόρια. Κάθε δε μονόπολο και γκραβιτίνο που παρήχθησαν πριν από τον πληθωρισμό είναι πολύ λεπτά για να τα βρούμε σήμερα.

Από τη στιγμή που το ψευδές κενό έχει αποδιεγερθεί, το σύμπαν ξαναρχίζει την κανονική επιβραδυνόμενη διαστολή του. Η ενέργεια που υπήρχε εγκλωβισμένη στο ψευδές κενό ελευθερώνεται με τη μορφή θερμότητας. Η τεράστια πληθωριστική διαστολή είχε ψύξει το σύμπαν σε μια θερμοκρασία πολύ κοντά στο απόλυτο μηδέν. Με το τέλος του πληθωρισμού, όμως, η θερμότητα που ελευθερώνεται το αναθερμαίνει ξαφνικά στην τεράστια θερμοκρασία των 10²⁸ βαθμών. Η διαδικασία αυτή λέγεται επαναθέρμανση.

Αυτή η απέραντη δεξαμενή θερμότητας που δημιουργήθηκε τότε επιζεί και σήμερα, με τη μορφή της θερμικής ακτινοβολίας κοσμικού υποβάθρου. Ένα παραπροϊόν της απελευθέρωσης της ενέργειας του κενού είναι ότι τα πολλά δυνάμει σωματίδια που υπήρχαν σ’ αυτό προσέλαβαν ένα μικρό ποσό ενέργειας και προήχθησαν σε πραγματικά σωματίδια. Έπειτα από περαιτέρω διεργασίες και μεταβολές, ένα υπόλειμμα αυτών των αρχέγονων σωματιδίων έφτασε σήμερα να αποτελεί τους 10⁵⁰ τόνους της ύλης που σχηματίζει όλο το παρατηρήσιμο σύμπαν.

Πόσο καιρό μετά από τον πληθωρισμό χρειάστηκε το inflaton να διασπαστεί στα σωματίδια που βλέπουμε σήμερα; Δεν ξέρουμε, αλλά αυτό που ξέρουμε είναι ότι έπρεπε να τελειώσει μέχρι την ώρα της πυρηνοσύνθεσης, δηλ. περίπου τρία λεπτά μετά από το τέλος του πληθωρισμού.

Το σύμπαν de Sitter

Είναι γεγονός ότι η εκθετική διαστολή του χωροχρόνου περιγράφηκε ακριβώς από τον Willem de Sitter στα 1917, σαν μια λύση των εξισώσεων της γενικής σχετικότητας. Όμως, πάνω από μισό αιώνα αυτό το μοντέλο του de Sitter αντιμετωπίστηκε μόνο ως μαθηματικό αξιοπερίεργο, που δεν είχε καμιά σχέση με το πραγματικό σύμπαν.

Η λύση του De Sitter των εξισώσεων του Αϊνστάιν περιγράφει ένα άδειο χωροχρόνο, ένα στατικό σύμπαν. Αλλά κατά τη δεκαετία του 1920 αναγνωρίστηκε ότι αν προσθέταμε μια μικροσκοπική ποσότητα ύλης σ’ αυτό το μοντέλο (με μορφή σωματιδίων διασκορπισμένων στο χωροχρόνο), αυτά θα απομακρύνονταν μεταξύ τους με εκθετικό ρυθμό καθώς ο χωροχρόνος θα διαστελλόταν. Αυτό σημαίνει ότι η απόσταση μεταξύ δύο οποιονδήποτε σωματιδίων θα διπλασιαζόταν συνεχώς ανά ίσα χρονικά διαστήματα. Αυτό φαινόταν τελείως μη ρεαλιστικό, ακόμη και όταν ανακαλύφθηκε η διαστολή του σύμπαντος από τον Χάμπλ το 1920.

Όταν όμως η θεωρία του πληθωρισμού έδειξε ότι το σύμπαν υπέστη μια εκθετική διαστολή κατά το πρώτο κλάσμα του δευτερολέπτου μετά τη γέννησή του, αυτή η πληθωριστική εκθετική διαστολή φάνηκε ότι μπορούσε να περιγραφεί ακριβώς από το μοντέλο του de Sitter, την πρώτη επιτυχή κοσμολογική λύση των εξισώσεων του Einstein της Γενικής Σχετικότητας.

Η ιστορία της επιστήμης όμως μας λέει ότι το πρώτο πληθωριστικό μοντέλο αναπτύχθηκε από τον Alexei Starobinsky, στο Ινστιτούτο Landau για τη θεωρητική φυσική στη Μόσχα στα τέλη της δεκαετίας του 1970, αλλά τότε δεν χρησιμοποιήθηκε ο όρος πληθωρισμός. Το αρχικό ήταν ένα πολύ περίπλοκο μοντέλο βασισμένο σε μια κβαντική θεωρία βαρύτητας, αλλά προκάλεσε αίσθηση μεταξύ των κοσμολόγων της τότε Σοβιετικής Ένωσης και έμεινε γνωστό ως το “μοντέλο Starobinsky” για το σύμπαν.  Δυστυχώς, εξαιτίας των δυσκολιών που είχαν τότε οι επιστήμονες της Σοβιετικής Ένωσης να ταξιδέψουν έξω από τα σύνορα της χώρας τους, το μοντέλο αυτό δεν διαδόθηκε στη Δύση.

Σημείωση

Τελευταίες εργασίες όπως των  Bezrukov – Shaposhnikov δείχνουν ότι το πεδίο ίνφλατον και το πεδίο Higgs είναι το ίδιο. Κάποιοι άλλοι φυσικοί δέχονται ότι είναι διαφορετικά ενώ άλλοι πολύ παρόμοια. Γι αυτό υπάρχει και αυτό το μπέρδεμα με τα δύο πεδία. Άλλοτε αναφερόμαστε στο πεδίο ίνφλατον (που προκάλεσε τον πληθωρισμό) και άλλοτε στο πεδίο Higgs που έδωσε μάζα στα σωματίδια αλληλεπιδρώντας μαζί τους.

Σύμφωνα με τον Linde υπήρχε στο σύμπαν μετά την εποχή Planck και πριν την GUT (μεταξύ 10^-43 sec και 10^-35 sec), ένα ενεργειακό πεδίο πολύ παρόμοιο με το πεδίο Higgs του πληθωρισμού GUT. Αυτό το “πεδίο ίνφλατον” είναι παρόμοιο με το πεδίο Higgs στο ότι το σύμπαν τεχνικά ήταν σαν το κενό, όταν γέμισε με αυτό το πεδίο, ακόμα κι αν η ενεργειακή πυκνότητα αυτού του πεδίου ήταν τεράστια. Πάλι, όπως το πεδίο Higgs, έτσι και η ενεργειακή πυκνότητα του πεδίου ίνφλατον μένει σταθερή ακόμα κι αν το σύμπαν διαστέλλεται. Αναλογικά, αυτό το πεδίο (το ίνφλατον) μπορεί να είναι η αιτία του πληθωρισμού, ακριβώς όπως κάνει αργότερα το πεδίο Higgs στην εποχή GUT. Στην πραγματικότητα, όσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια του πεδίου ίνφλατον τόσο πιο γρήγορα πραγματοποιείται ο πληθωρισμός.

Ο Niel Turok στο πρόσφατο βιβλίο του: Αέναο Σύμπαν γράφει ότι η αιτία τότε του πληθωρισμού ήταν η σκοτεινή ενέργεια, αλλά με πολύ μεγαλύτερη κοσμολογική σταθερά Λ, από τη σημερινή Λ που προκαλεί την επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος. 

Πηγές: Το Big Bang του John Gribbin, Περιοδικό Science Illustrated, Wikipedia, Paul Davis, παλιά άρθρα του physics4u